同时同频全双工非线性自干扰抑制研究.pdf

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2022-04-14

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2021/12/DTPT

1 概述

同时同频全双工是指一套通信设备使用相同的

频率资源，同时发射并接收电磁信号。理论上它可以

将无线通信频谱资源利用率翻一倍，因此受到了工业

界与学术界的广泛深入关注

［1-2］

。

同时同频全双工在发射信号的同时会对本地接

收机造成强干扰，称为“自干扰”。因此，同时同频全

双工在实际应用中需要解决的最大问题就是自干扰

的抑制问题。如图 1 所示，在第 4 代蜂窝移动通信系

统中，自干扰的总抑制能力需要达到 158 dB 量级

［1］

。

因此，为了使同时同频全双工无线通信走向实用化，

自干扰抑制是需要首先解决的问题。

目前广泛采用的同时同频全双工自干扰抑制技

术主要可以分为三大方面：空间域、模拟域以及数字

域的自干扰抑制

［2］

。空间域自干扰抑制是指通过天线

布置等方法提高收发通道的隔离度，实现对自干扰信

号的抑制，主要方法包括发射和接收（TR）分离、电磁

同时同频全双工非线性自干扰

抑制研究

Research on Nonlinear Self Interference Cancellation

Techniques of CCFD Radios

关键词：

同时同频全双工；自干扰；干扰抑制；非线性

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.007

文章编号：1007-3043（2021）12-0032-08

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘要：

同时同频全双工在相同频率资源上同时进行信号的收发，频谱利用率理论上可

以提升 1 倍，因此受到广泛关注。然而，全双工设备在接收信号的同时，也会遭

受本地信号发射带来的强干扰。针对强干扰信号的非线性典型特征，分析了非

线性自干扰抑制技术，并探讨大功率发射和阵列天线场景中，可能的非线性干

扰抑制方法，为大功率、多天线全双工设备研制提供架构和算法层面的设计指

导。

Abstract：

Co-time and Co-frequency Full Duplex（CCFD）technique enables a radio to transmit and receive signals simultaneously us-

ing the same frequency resources，and hence doubles the spectrum efficiency theoretically. However，a CCFD radio will suffer

from severe self-interference（SI）caused by local signal transmission during signal reception procedure. According to the in-

herent nonlinear characteristics of the self-interference signals，it analyzes the nonlinear self-interference cancellation（SIC）

techniques，and discusses possible nonlinear interference suppression methods in high-power transmission and array anten-

na scenes，which would provide some architecture and algorithm design guidance for the development of high-power，multi

antenna CCFD equipment.

Keywords：

Co-time and co-frequency full duplex；Self-interference；Self-interference cancellation；Nonlinearity

肖尚辉

，张梦瑶

，全欣

，刘颖

，邵士海

，唐友喜

（1. 电子科技大学，四川成都 611731；2. 西南交通大学，四川成都

611756）

Xiao Shanghui

，Zhang Mengyao

，Quan Xin

，Liu Ying

，Shao Shihai

，Tang Youxi

（1. UESTC，Chengdu 611731，China；2. South⁃

west Jiaotong University，Chengdu 611756，China）

—————————

—

基金项目：国家自然科学基金资助项目（62071094，

61901396，U19B2014，61771107，61601064）；中央高校基本

科研业务费专项资助（2682020CX83）；四川科技项目

（2020YFH0101）

收稿日期：2021-11-03

肖尚辉，张梦瑶，全欣，刘颖，邵士海，唐友喜

同时同频全双工非线性自干扰抑制研究

本期专题

Monthly Topic

引用格式：肖尚辉，张梦瑶，全欣，等 . 同时同频全双工非线性自干扰抑制研究［J］. 邮电设计技术，2021（12）：32- 39.

邮电设计技术/2021/12

波隔离和天线模式分集。模拟域自干扰抑制是利用

发射机基带或者射频自干扰信号作为参考源，在接收

机射频前端产生模拟自干扰信号的副本并进行抵消。

数字域自干扰抑制是利用数字自干扰信号作为参考

源，在接收机数字域估计自干扰信号的多径信道、非

线性特征等参数并抑制。一种典型的自干扰抑制案

例如图 2所示。

针对强干扰信号的非线性典型特征，本文分析了

非线性自干扰抑制技术，研究了针对发射端、接收端

以及收发联合非线性自干扰抑制的方法，并探讨大功

率发射和阵列天线场景中，可能的非线性干扰抑制方

法。本文研究成果，可以为大功率、多天线全双工设

备研制提供架构和算法层面的设计指导。

2 同时同频全双工系统及非线性自干扰抑制

2.1 同时同频全双工系统模型

2 种同时同频全双工的典型系统结构如图 3 所

示，分别是收发天线共用和收发天线独立 2 种典型结

构。2 种结构中都存在严重的自干扰：收发天线共用

结构中，由于环形器的隔离度并不理想，发射机的发

射信号一部分泄漏到了接收机输入支路；收发天线独

立系统中，发射信号通过近场耦合效应，直接耦合到

接收通道中去，形成自干扰。此外，2 种场景中，近场

和远场的反射和散射信号，也会被本地天线接收，从

而对目标接收信号产生多径干扰。

经实验验证，全双工自干扰总是难以消除到接收

图 1 同时同频全双工无线通信发射与接收信号强度对比

［1］

图 3 同时同频全双工的典型系统

［1］

图 2 一种典型的同时同频全双工自干扰抑制架构

［1］

丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐

-112

-107

功率/dBm

46 dBm

153 dB

158 dB

-107 dBm

-112 dBm

发射

接收

噪声

数字域干扰重建

数字域自干扰抑制

模拟域自干扰抑制

空间域自干扰抑制

ADC

DAC

射频接收通道射频发射通道

模拟域干

扰重建

接收基带单元发射基带单元

衰减器

d+λ/2

功率分配器

RX TX1TX2

＋

－

自干扰

信道

接收机模拟单元

环形器泄露

发射机模拟单元

数字自干扰抑制数字信号处理

同时同频全双工

无线通信设备

驻波

数模转换模数转换

模拟自干扰抑制

同时同频全双工

无线通信设备

数字自干扰抑制

数字信号处理

发射机模

拟单元

接收机模

拟单元

数模转换模数转换

模拟自干

扰抑制

接收天线发射天线

远场

反射

近场

散射

近场

反射

远场

散射

自干扰

信道

远场

反射

近场

散射

近场

反射

远场

散射

近场耦合

近场直射

肖尚辉，张梦瑶，全欣，刘颖，邵士海，唐友喜

同时同频全双工非线性自干扰抑制研究

本期专题

Monthly Topic

2021/12/DTPT

1 概述

同时同频全双工是指一套通信设备使用相同的

频率资源，同时发射并接收电磁信号。理论上它可以

将无线通信频谱资源利用率翻一倍，因此受到了工业

界与学术界的广泛深入关注

［1-2］

。

同时同频全双工在发射信号的同时会对本地接

收机造成强干扰，称为“自干扰”。因此，同时同频全

双工在实际应用中需要解决的最大问题就是自干扰

的抑制问题。如图 1 所示，在第 4 代蜂窝移动通信系

统中，自干扰的总抑制能力需要达到 158 dB 量级

［1］

。

因此，为了使同时同频全双工无线通信走向实用化，

自干扰抑制是需要首先解决的问题。

目前广泛采用的同时同频全双工自干扰抑制技

术主要可以分为三大方面：空间域、模拟域以及数字

域的自干扰抑制

［2］

。空间域自干扰抑制是指通过天线

布置等方法提高收发通道的隔离度，实现对自干扰信

号的抑制，主要方法包括发射和接收（TR）分离、电磁

同时同频全双工非线性自干扰

抑制研究

Research on Nonlinear Self Interference Cancellation

Techniques of CCFD Radios

关键词：

同时同频全双工；自干扰；干扰抑制；非线性

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.007

文章编号：1007-3043（2021）12-0032-08

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘要：

同时同频全双工在相同频率资源上同时进行信号的收发，频谱利用率理论上可

以提升 1 倍，因此受到广泛关注。然而，全双工设备在接收信号的同时，也会遭

受本地信号发射带来的强干扰。针对强干扰信号的非线性典型特征，分析了非

线性自干扰抑制技术，并探讨大功率发射和阵列天线场景中，可能的非线性干

扰抑制方法，为大功率、多天线全双工设备研制提供架构和算法层面的设计指

导。

Abstract：

Co-time and Co-frequency Full Duplex（CCFD）technique enables a radio to transmit and receive signals simultaneously us-

ing the same frequency resources，and hence doubles the spectrum efficiency theoretically. However，a CCFD radio will suffer

from severe self-interference（SI）caused by local signal transmission during signal reception procedure. According to the in-

herent nonlinear characteristics of the self-interference signals，it analyzes the nonlinear self-interference cancellation（SIC）

techniques，and discusses possible nonlinear interference suppression methods in high-power transmission and array anten-

na scenes，which would provide some architecture and algorithm design guidance for the development of high-power，multi

antenna CCFD equipment.

Keywords：

Co-time and co-frequency full duplex；Self-interference；Self-interference cancellation；Nonlinearity

肖尚辉

，张梦瑶

，全欣

，刘颖

，邵士海

，唐友喜

（1. 电子科技大学，四川成都 611731；2. 西南交通大学，四川成都

611756）

Xiao Shanghui

，Zhang Mengyao

，Quan Xin

，Liu Ying

，Shao Shihai

，Tang Youxi

（1. UESTC，Chengdu 611731，China；2. South⁃

west Jiaotong University，Chengdu 611756，China）

—————————

—

基金项目：国家自然科学基金资助项目（62071094，

61901396，U19B2014，61771107，61601064）；中央高校基本

科研业务费专项资助（2682020CX83）；四川科技项目

（2020YFH0101）

收稿日期：2021-11-03

肖尚辉，张梦瑶，全欣，刘颖，邵士海，唐友喜

同时同频全双工非线性自干扰抑制研究

本期专题

Monthly Topic

引用格式：肖尚辉，张梦瑶，全欣，等 . 同时同频全双工非线性自干扰抑制研究［J］. 邮电设计技术，2021（12）：32- 39.

邮电设计技术/2021/12

波隔离和天线模式分集。模拟域自干扰抑制是利用

发射机基带或者射频自干扰信号作为参考源，在接收

机射频前端产生模拟自干扰信号的副本并进行抵消。

数字域自干扰抑制是利用数字自干扰信号作为参考

源，在接收机数字域估计自干扰信号的多径信道、非

线性特征等参数并抑制。一种典型的自干扰抑制案

例如图 2所示。

针对强干扰信号的非线性典型特征，本文分析了

非线性自干扰抑制技术，研究了针对发射端、接收端

以及收发联合非线性自干扰抑制的方法，并探讨大功

率发射和阵列天线场景中，可能的非线性干扰抑制方

法。本文研究成果，可以为大功率、多天线全双工设

备研制提供架构和算法层面的设计指导。

2 同时同频全双工系统及非线性自干扰抑制

2.1 同时同频全双工系统模型

2 种同时同频全双工的典型系统结构如图 3 所

示，分别是收发天线共用和收发天线独立 2 种典型结

构。2 种结构中都存在严重的自干扰：收发天线共用

结构中，由于环形器的隔离度并不理想，发射机的发

射信号一部分泄漏到了接收机输入支路；收发天线独

立系统中，发射信号通过近场耦合效应，直接耦合到

接收通道中去，形成自干扰。此外，2 种场景中，近场

和远场的反射和散射信号，也会被本地天线接收，从

而对目标接收信号产生多径干扰。

经实验验证，全双工自干扰总是难以消除到接收

图 1 同时同频全双工无线通信发射与接收信号强度对比

［1］

图 3 同时同频全双工的典型系统

［1］

图 2 一种典型的同时同频全双工自干扰抑制架构

［1］

丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐丐

-112

-107

功率/dBm

46 dBm

153 dB

158 dB

-107 dBm

-112 dBm

发射

接收

噪声

数字域干扰重建

数字域自干扰抑制

模拟域自干扰抑制

空间域自干扰抑制

ADC

DAC

射频接收通道射频发射通道

模拟域干

扰重建

接收基带单元发射基带单元

衰减器

d+λ/2

功率分配器

RX TX1TX2

＋

－

自干扰

信道

接收机模拟单元

环形器泄露

发射机模拟单元

数字自干扰抑制数字信号处理

同时同频全双工

无线通信设备

驻波

数模转换模数转换

模拟自干扰抑制

同时同频全双工

无线通信设备

数字自干扰抑制

数字信号处理

发射机模

拟单元

接收机模

拟单元

数模转换模数转换

模拟自干

扰抑制

接收天线发射天线

远场

反射

近场

散射

近场

反射

远场

散射

自干扰

信道

远场

反射

近场

散射

近场

反射

远场

散射

近场耦合

近场直射

肖尚辉，张梦瑶，全欣，刘颖，邵士海，唐友喜

同时同频全双工非线性自干扰抑制研究

本期专题

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